異質(zhì)結(jié)完整分

§2.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)：由兩種性質(zhì)（帶隙寬度）不同的半導(dǎo)體材料，通過一定的生長方法所形成的結(jié)。一、突變異質(zhì)結(jié)（pN）1、pN結(jié)的形成與能帶圖窄帶隙的p型半導(dǎo)體與寬帶隙的N型半導(dǎo)體生長一起時(shí)，界面處出現(xiàn)了載流子的濃度差，于是N中的電子向p中擴(kuò)散，相反，p中的空穴也會(huì)向N中擴(kuò)散，在界面形成空間電荷區(qū)。內(nèi)建電場E擴(kuò)散遷移§2.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)1960年，Anderson用能帶論分析了pN結(jié)的形成與有關(guān)問題，直觀而深刻，并得到一些十分有用的結(jié)論，稱為Anderson模型。如Fig2.01（a）平衡前的能帶圖；（b）是平衡時(shí)的能帶圖。在作圖時(shí)，先以真空能級(jí)為參考能級(jí)畫出各自的能帶圖；再保持費(fèi)米能級(jí)低的一側(cè)不動(dòng)，使費(fèi)米能級(jí)高的一側(cè)下移與其相平，即真空能級(jí)及能帶向下彎曲，而且有其他量，如功函數(shù)φ，親和勢χ

，激活能δ保持不變?！?.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)Ec2EF2Ev2p-GaAsN-AlxGa1-xAsEo

Χ1φ1Ec1EF1Ev1ΔEcEg1△Evδ2Eg2δ1χ2φ2Ec2EFEv2Χ1φ1eVDeVDNeVDNeVDPeVDP△Ev△EcEc1EFEv1-xP

0xN說明：真空能級(jí)Eo為參考能級(jí)；Eg表示禁帶寬度；φ表示功函數(shù)，定義為將一個(gè)電子從費(fèi)米能級(jí)EF處轉(zhuǎn)移到真空能級(jí)Eo所需的能量；χ表示親和勢，定義為將一個(gè)電子從導(dǎo)帶底Ec移到真空能級(jí)Eo所需的能量；δ表示激活能，定義為EF與導(dǎo)帶底Ec或EF與價(jià)帶頂Ev之間的能量差。p-GaAsN-AlxGa1-xAs（a）平衡前的能帶圖（b）平衡時(shí)的能帶圖§2.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)2、內(nèi)建電勢及耗盡層寬度從上面的分析可以看出，能帶彎曲的程度取決于內(nèi)建電勢的大小，即對(duì)于p型半導(dǎo)體有對(duì)于N型半導(dǎo)體有于是得到即內(nèi)建電勢取決于兩種半導(dǎo)體載流子濃度的比值。具體到pN結(jié)，取決于N型半導(dǎo)體中的多子（電子）與p型中的少子（電子）濃度比。§2.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)根據(jù)《半導(dǎo)體物理》的結(jié)論，p區(qū)和N區(qū)各自的內(nèi)建電勢分別是若近似認(rèn)為，正負(fù)電荷在耗盡層是均勻分布的，則電中性條件為于是得該式表明，內(nèi)建電勢主要降落在雜質(zhì)濃度較低的一側(cè)。結(jié)合以上各式，得到內(nèi)建電勢分別為§2.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)耗盡層寬度分別是由上面的分析，還可以得到結(jié)電容結(jié)電容是一個(gè)重要的參數(shù)，它直接影響到器件的高頻特性。nnoxx

=

0pnopponpolog(n),

log(p)-eNa

eNd

MxE

(x)B-h+p

n

M

As+e杴WpWnNeutral

n-regionNeutral

p-regionSpace

charge

regionVoV(x)xPE(x)Electron

PE(x)Metallurgical

Junction(a)(b)(c)(e)(f)x杴WpWn(d)0eVox(g)杴eVoHole

PE(x)

杴Eo

Eo

Mrnet

MWn杴WpniPropertiesofthepn

junction.§2.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)§2.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)當(dāng)給異質(zhì)結(jié)加上正向偏置電壓（p側(cè)為正）VA時(shí)，pN結(jié)就處于非平衡狀態(tài)，即結(jié)兩側(cè)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)發(fā)生分離，顯然有同時(shí)，能帶的彎曲程度變緩。這時(shí)，可將前面的公式中的VD、VDp、VDN分別用（VD-V）、（VDP-V1）、（VDN-V2）來代替，其中VA=V1+V2，V1、V2分別是p側(cè)和N側(cè)勢壘區(qū)的電壓降。于是得到如下pN結(jié)在正向偏置下的一系列公式：§2.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)可見，加正向電壓后，空間電荷區(qū)厚度變窄，結(jié)勢壘變小，有利于向p區(qū)注入電子。Ec1Ev1EFvEc2EFcEoe(VD-VA）e(VDN-V2）ΔEvΔEceVA-xp

0xNe(VDp+V1)EoEc1EFvEv1e(VD+VA）Ec2EFcEv2e(VDN+V2)ΔEvΔEceVAxp0xN

pN結(jié)正向偏置pN結(jié)反向偏置§2.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)nN結(jié)能帶圖

pP能帶圖EoEc1Ev1eVDΔEcΔEv-xn0xNEc2EFEv2eVD2eVD1EoEc1Ev1Ec2Ev2EFeVD2eVD1ΔEcΔEv-xpxPeVD§2.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)3、載流子的輸運(yùn)Anderson模型：零偏壓時(shí)，由N向p越過勢壘VDN的電子流應(yīng)與從p到N越過勢壘ΔEc-VDp的電子流相等，即加正向電壓后，兩個(gè)方向的電子流不再相等，凈電流密度為§2.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)式中已經(jīng)用到零偏置的結(jié)果。若認(rèn)為N型半導(dǎo)體的電子濃度與施主濃度相等；再考慮到界面對(duì)載流子的反射，引入透射系數(shù)X，它表示N區(qū)耗盡層內(nèi)的電子越過界面到達(dá)p區(qū)電荷積累層的比率。于是有在正向偏置時(shí)，方括號(hào)中第一項(xiàng)起主要作用，反向偏置時(shí)，第二項(xiàng)起主要作用。所以，在正向偏置下，有§2.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)Anderson模型定性地表達(dá)了pN結(jié)的伏安特性，但在定量上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，此時(shí)需用其他模型來分析?！?.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)三、異質(zhì)結(jié)的主要性質(zhì)1、高注入比注入比是指pN結(jié)正向偏置時(shí)，N區(qū)向p區(qū)注入的電子流Jn1與p區(qū)向N區(qū)注入的空穴流Jp2之比，由前面的分析，對(duì)異質(zhì)結(jié)可得到可見，注入比與異質(zhì)結(jié)兩側(cè)材料的帶隙差成指數(shù)關(guān)系。例如p-GaAs/N-Al0.3Ga0.7As異質(zhì)結(jié)，注入比約為7.4Χ105。這是半導(dǎo)體激光器提高注入效率，降低閾值電流密度，提高量子效率的重要原因之一?！?.3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)2、超注入現(xiàn)象在給pN結(jié)加正向偏置電壓后，N區(qū)到p區(qū)的電子勢壘是VDN-V2，當(dāng)偏壓足夠大時(shí)，勢壘會(huì)足夠小，